Pressure drop, heat transfer and flow pattern maps inside smooth and enhanced tubes during convective boiling and condensation of R134a and R1234ze

Due to the increasing environmental concern the phase out of refrigerants commonly used in HVAC devices is taking place. Hence it is very important to find suitable fluids for the tomorrow HVAC systems. This thesis focuses on one of the banned fluids, which is widely used, the R134a and one of its possible alternatives. Among the new environmentally friendly fluids available as a replacement there are the hydro-fluoro-Olefin (HFO) R1234yf and R1234ze, which are characterized by a much smaller global warming potential (GWP) and much shorter atmospheric lifetime than R134a. The thesis aims to rate the performance of R134a and R1234ze and reports the experimental investigation concerning the heat transfer coefficient, the pressure drop and the flow pattern map during flow boiling and convective condensation inside microfin tube J60. As many enhanced tubes were developed in the past a benchmark is required to properly explain the results. It is common practice to compare a microfin tube with the smooth tube (figure 1 reports the geometrical features of the tubes) introducing some indexes related to the heat transfer area variation, the heat transfer coefficient variation and the pressure drop variation. To properly analyze the fluids and the tubes, the experiments were performed in a wide range of operating conditions, which are unequivocally defined by four quantities: the saturation temperature, the mass flux, the mean quality and the quality change. During boiling the saturation temperature was 5°C while the other quantities intervals were: mass flux [67;333]kg/m2s, mean quality [0.15;0.95], quality change [0.05;0.4]. For condensation, the saturation temperature was fixed at 35°C and the other quantities ranges were: mass flux [43;555]kg/m2s, mean quality [0.10;0.90], quality change [0.04;0.22]. The collected data were post-processed and the results were grouped to highlight three main topics: the geometry effect (smooth tube versus micrfin tube J60, using R134a), the fluid effect (R134a versus R1234ze flowing inside microfin tube J60), the rating of the correlations for the heat transfer coefficient and the pressure drop. The flow pattern analysis is the starting point to provide a correct interpretation of comparison between the microfin tube J60 and the smooth in terms of pressure drop and heat transfer coefficient. The main outcomes of the flow visualization lead to the following conclusions: the swirled microfins promote the annular flow, which onsets at lower mean quality and mass fluxes, and shift the dryout to larger mean qualities (for the smooth tube it takes place in the range [0.80;0.90], while it was never observed during the experiments with the microfin tube). The main effect of the microfins is to keep the liquid in touch with the whole tube perimeter for a wider operating condition range. That explains the main advantage of the microfin tube: a larger heat transfer coefficient (larger than the area ratio). On the other hand its main drawback is a larger pressure drop. In the end it should be reported that, during some condensation experiments, the microfin tube J60 showed a lower heat transfer coefficient that the smooth tube. A possible explanation could be related to the too large number of fins and the flooding on the space between them which compromise the heat transfer performances. The comparison between the fluids proved that the R1234ze is a very good replacement for R134a, as the post processing showed similar heat transfer coefficient and pressure drop in all the operating conditions. The open literature provides a large number of correlations for the heat transfer coefficient and the pressure drop in microfin tubes. Their assessment is based on two parameters related to the experimental data, the mean percentage error and the standard deviation. According to the boiling experiments, for both fluids, the Han et al 2017 correlation seems to be the best option for the heat transfer coefficient while Kou et al 1996 and Choi et al 2001 correlations do the same for the pressure drop. For condensation, Cavallini et al 2009 correlation properly estimates the heat transfer coefficient for both the fluids. On the contrary, about pressure drop, is not available a correlation suitable for both fluids, the experiments highlighted that Goto et al 2001 correlation gives good results for R1234ze while Han et al 2005 correlation has the smallest percentage error but a large standard deviation. It should be concluded that further efforts are required to properly describe the fluid properties and the geometry characteristics of the microfin tubes.

La crescente sensibilità ambientale ha indotto la dismissione dei refrigeranti comunemente usati negli impianti HVAC. È quindi molto importante trovare dei fluidi adatti agli impianti HVAC di domani. Questa tesi si focalizza su uno dei fluidi banditi ampiamente usato, l’R134a, e una delle sue possibili alternative. Tra i nuovi fluidi ecocompatibili disponibili come sostituti ci sono le idro-fluoro-olefine (HFO) R1234yf a R1234ze, che sono caratterizzati da un potenziale di riscaldamento globale (GWP) molto più contenuto e da una vita in atmosfera molto più breve dell’R134a. Lo scopo della tesi è valutare le prestazioni di R134a e R1234ze e presentare le ricerche sperimentali riguardanti il coefficiente di scambio termico, le cadute di pressione e le mappe di flusso durante l’ebollizione e la condensazione convettive all’interno del condotto microalettato J60. Poiché molti tubi incrementati sono stati sviluppati in passato è necessario un riferimento per spiegare correttamente i risultati ottenuti. È pratica comune paragonare un condotto microalettato con il tubo liscio introducendo alcuni indici che si riferiscono alle variazioni di: area sede di scambio termico, coefficiente di scambio termico e cadute di pressione. Per analizzare correttamente fluidi e tubi, gli esperimenti sono stati eseguiti in un ampio intervallo di condizioni operative, le quali sono univocamente definite da quattro quantità: la temperatura di saturazione, la portata massica specifica, il titolo medio, la variazione di titolo. In evaporazione la temperatura di saturazione era fissa a 5°C mentre gli intervalli di variazione delle altre quantità sono: portata massica specifica [67;333]kg/m2s, titolo medio [0.15;0.95], variazione di titolo [0.05;0.4]. In condensazione la temperatura di saturazione era fissa a 35°C mentre gli intervalli di variazione delle altre quantità sono: portata massica specifica [43;555]kg/m2s, titolo medio [0.10;0.90], variazione di titolo [0.04;0.22]. I dati raccolti sono stati analizzati e i risultati sono stati raggruppati per evidenziare tre aspetti principali: l’effetto della geometria (confronto tra tubo liscio e tubo microalettato J60, usando R134a), l’effetto del fluido (R134a paragonato a R1234ze all’interno del tubo microalettato J60), la bontà delle correlazioni per il calcolo del coefficiente di scambio termico e delle cadute di pressione. L’analisi dei regimi di moto è il punto di partenza per interpretare correttamente il confronto tra tubo microalettato J60 e tubo liscio in termini di coefficiente di scambio termico e cadute di pressione. I principali risultati della visualizzazione del flusso conducono alle seguenti conclusioni: l’avvolgimento delle microalette promuove il flusso anulare, il quale si instaura a titoli medi e portate massiche specifiche più bassi, e il dryout si manifesta a titoli medi più alti (per il tubo liscio si osserva per titoli medi nell’intervallo [0.80;0.90], mentre non è mai stato osservato durante gli esperimenti con il condotto microalettato). L’effetto principale delle microalette è mantenere il liquido in contatto con l’intero perimetro del condotto per un più ampio intervallo di condizioni operative. Questo spiega il principale vantaggio dei tubi microalettati: un maggior coefficiente di scambio termico (superiore del rapporto tra le superfici di scambio termico). D’altra parte il principale svantaggio è rappresentato dalle più grandi cadute di pressione. In conclusione si evidenzia che, durante alcune prove in condensazione, il tubo microalettato J60 ha mostrato coefficienti di scambio termico inferiori rispetto al tubo liscio. Una possibile spiegazione potrebbe essere legata al troppo elevato numero di alette e all’allagamento dello spazio che le separa, il che compromette le prestazioni di scambio termico. Il confronto tra i due fluidi prova che l’R1234ze è un buon sostituto dell’R134a, l’elaborazione dei dati ha mostrato coefficienti di scambio termico e cadute di pressione simili in tutte le condizioni operative. La letteratura fornisce un vasto numero di correlazioni per il coefficiente di scambio termico e per le cadute di pressione in condotti microalettati. Il loro confronto è basato su due parametri legati ai dati sperimentali: l’errore percentuale medio e la deviazione standard. Dagli esperimenti in ebollizione, per entrambe i fluidi, la correlazione di Han et al 2017 sembra essere l’opzione migliore per il coefficiente di scambio termico mentre le correlazioni di Kou et al 1996 e Choi et al 2001 si comportano in modo analogo per le cadute di pressione. Riguardo alla condensazione, la correlazione di Cavallini et al 2009 stima correttamente il coefficiente di scambio termico per entrambe i fluidi. Al contrario, per le cadute di pressione, non è disponibile una correlazione adatta per entrambe i fluidi, gli esperimenti hanno evidenziato che la correlazione di Goto et al 2001 fornisce buoni risultati per l’R1234ze mentre la correlazione di Han et al 2005 ha l’errore percentuale più contenuto ma una grande deviazione standard. Sembrerebbe che occorrano ulteriori sforzi per descrivere correttamente le proprietà del fluido e le caratteristiche geometriche dei tubi micoralettati.